一种朱砂桔采摘机器人及其采摘方法技术

本发明专利技术公开了一种朱砂桔采摘机器人及其采摘方法。目前国内朱砂桔的采摘作业基本上还是手工完成，属于典型的劳动密集型工作。本发明专利技术一种朱砂桔采摘机器人，包括行进机构、旋转机构、升降机构、伸缩机构、采摘机构和摄像头。行进机构包括行进电机、行进轮和万向轮。摄像头设置在底板上。旋转机构包括旋转板和旋转驱动件。升降机构包括上支撑板、下支撑架、升降架、光轴和升降驱动件。伸缩机构包括伸缩板、伸缩杆组、第三齿轮、第四齿轮和第二舵机。采摘机构包括挡板、固定刀片、主动刀片和第三舵机。本发明专利技术通过灰度化、二值化、中值滤波、卷积神经元网络相结合的方式识别图像中的朱砂桔位置，提高了识别的准确性。

A Cinnamon Orange Picking Robot and Its Picking Method

The invention discloses a cinnabar orange picking robot and a picking method thereof. At present, the picking of cinnabar orange in China is basically done by hand, which is a typical labor-intensive work. The invention relates to a cinnabar orange picking robot, which comprises a moving mechanism, a rotating mechanism, a lifting mechanism, a telescopic mechanism, a picking mechanism and a camera. The traveling mechanism includes a traveling motor, a traveling wheel and a universal wheel. The camera is set on the floor. The rotating mechanism includes a rotating plate and a rotating driving part. The lifting mechanism includes the upper support plate, the lower support frame, the lifting frame, the optical axis and the lifting driving parts. The telescopic mechanism includes a telescopic plate, a telescopic rod group, a third gear, a fourth gear and a second steering gear. The picking mechanism comprises a baffle, a fixed blade, an active blade and a third steering gear. The method identifies the position of cinnabar orange in an image by combining gray level, binarization, median filtering and convolution neuron network, and improves the accuracy of recognition.

【技术实现步骤摘要】
一种朱砂桔采摘机器人及其采摘方法
本专利技术属于农用机械
，具体涉及一种朱砂桔采摘机器人及其采摘方法。
技术介绍
在朱砂桔的种植过程中，收获采摘作业质量的好坏直接影响到朱砂桔的储存、加工和销售等后续环节，从而最终影响市场价格和经济效益。但是由于采摘作业环境和操作的复杂性，朱砂桔采摘的自动化程度仍然很低，目前国内朱砂桔的采摘作业基本上还是手工完成，属于典型的劳动密集型工作。这大大提高了朱砂桔的生产成本。因此，设计一种自动化程度高的朱砂桔采摘装置十分重要。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种朱砂桔采摘机器人及其采摘方法。本专利技术一种朱砂桔采摘机器人，包括行进机构、旋转机构、升降机构、伸缩机构、采摘机构和摄像头。所述的行进机构包括底板、行进电机、行进轮和万向轮。两个行进轮均支承在底板底面。万向轮安装在底板的底面。两个行进轮由两个行进电机分别驱动。所述的摄像头设置在底板上。所述的旋转机构包括旋转板和旋转驱动件。所述的旋转板设置在底板的上方，且与底板构成转动副。旋转板由旋转驱动件驱动。所述的升降机构包括上支撑板、下支撑架、升降架、光轴和升降驱动件。所述光轴的底端均与下支撑架固定，顶端均与上支撑板固定。下支撑架与旋转板固定。所述的升降架与光轴构成滑动副，并由升降驱动件驱动。所述的伸缩机构包括伸缩板、伸缩杆组、第三齿轮、第四齿轮和第二舵机。所述的伸缩杆组包括第一连杆、第二连杆、第三连杆和第四连杆。所述第一连杆、第二连杆的内端均固定有第三齿轮，且均与升降架铰接。两个第三齿轮啮合。第一连杆、第二连杆的外端与第三连杆、第四连杆的一端分别铰接。第三连杆、第四连杆的另一端均固定有第四齿轮，且均与伸缩板铰接。两个第四齿轮啮合。其中一个第三齿轮由第二舵机驱动。所述的采摘机构包括挡板、固定刀片、主动刀片和第三舵机。第三舵机及挡板均固定在伸缩板上。主动刀片的内端与第三舵机的输出轴固定。固定刀片的外端与挡板固定，内端与第三舵机的输出轴构成转动副。进一步地，本专利技术一种朱砂桔采摘机器人还包括摄像头翻转组件。所述的摄像头云台组件包括云台底座、第一云台架、第二云台架、第四舵机和第五舵机。云台底座固定在底板上。第一云台架与云台底座构成公共轴线竖直设置的转动副。第四舵机固定在云台底座上。第四舵机的输出轴与第一云台架固定。第二云台架与第一云台架构成公共轴线水平设置的转动副。第五舵机固定在第一云台架上。第五舵机的输出轴与第二云台架固定。摄像头固定在第二云台架上。进一步地，所述的旋转驱动件包括第一舵机、第一齿轮和第二齿轮。所述的第一舵机固定在底板上。第一齿轮、第二齿轮与第一舵机输出轴、旋转板分别固定。第一齿轮与第二齿轮啮合。所述的升降驱动件包括带轮、传动带和升降电机。两个带轮分别支承在上支撑板、下支撑架上，且通过传动带连接。升降电机固定在下支撑架上。升降电机的输出轴与位于下支撑架上的带轮固定。进一步地，两个行进电机均固定在底板的底面上。两个行进电机输出轴与两个行进轮分别固定。所述的第二舵机固定在升降板上。第二舵机的输出轴与其中一个第三齿轮固定。进一步地，两个第三齿轮及两个第四齿轮的分度圆直径相等。进一步地，所述的固定刀片、主动刀片的外端均朝向远离伸缩机构的一侧。进一步地，所述伸缩板的底面远离伸缩机构的那端固定有收集网兜。收集网兜位于固定刀片、主动刀片外端的正下方。该朱砂桔采摘机器人的采摘方法具体如下：步骤一、摄像头开启，拍摄朱砂桔树的照片，得到原始彩色图像。将原始彩色图像进行灰度化处理，得到灰度图。灰度图中第i行第j列的像素的灰度值Grayi,j的表达式如式(1)所示：Grayi,j＝0.072169Bi,j+0.715160Gi,j+0.212671Ri,j(1)式(1)中，Bi,j为原始彩色图像中第i行第j列的像素的蓝色通道亮度；Gi,j为原始彩色图像中第i行第j列的像素的绿色通道亮度；Ri,j为原始彩色图像中第i行第j列的像素的红色通道亮度。步骤二、将灰度图进行二值化处理，得到黑白图。黑白图中第i行第j列像素的像素值ai,j的表达式如式(2)所示：式(2)中，150≤er≤180。步骤三、对黑白图进行中值滤波，使得黑白图上像素数小于x×y的白色像素群中的所有像素均变为黑色，得到滤波黑白图。3≤x≤5，3≤y≤5；白色像素群由连接在一起的白色像素组成。滤波黑白图中剩余n个白色像素群。步骤四、在原始彩色图像圈选出n个待定识别区域。原始彩色图像上的n个待定识别区域与滤波黑白图中的n个白色像素群分别位置对应。步骤五：依次截取原始彩色图像上的所有待定识别区域，得到n张待定识别图像。将n张待定识别图像依次导入卷积神经网络，判断各待定识别图像中是否存在朱砂桔。以原始彩色图像的n个待定识别区域中存在朱砂桔的m个作为有效识别区域。步骤六、k＝1,2,…,m，依次执行步骤七和八。步骤七、计算第k个有效识别区域对应的朱砂桔与摄像头之间的距离Lk。Lk的表达式如式(3)所示。式(3)中，Kz为距离计算系数，表达式如式(4)所示：式(4)中，Rm为朱砂桔的平均直径，Apix为摄像头所拍摄照片中一行像素点的个数；θ为摄像头视角的二分之一。步骤八、计算第k个有效识别区域对应的朱砂桔的中心位置在以摄像头为坐标原点，x-z平面垂直于摄像头轴线的平面直角坐标系中的坐标值(xk,yk,zk)，xk、yk、zk的关系式如式(5)所示。式(5)中，uxk为第k个有效识别区域的几何中心点在原始彩色图像上的横坐标；vyk为第k个有效识别区域的几何中心点在原始彩色图像上的纵坐标；dx为横坐标置换系数，表达式如式(6)所示；dy为纵坐标置换系数，表达式如式(7)所示；式(6)和(7)中，Lp为摄像头的焦距。步骤九：将1赋值给k。步骤十：第一舵机驱动旋转板转动；升降电机驱动升降架上下运动。第二舵机转动，带动伸缩板水平运动，使得第k个朱砂桔的果梗处于主动刀片与固定刀片之间。步骤十一：第三舵机驱动主动刀片转动，主动刀片与固定刀片切割第k个朱砂桔的果梗，进入步骤十二。步骤十二：第三舵机驱动主动刀片复位。若k＜m，则将k增大1，并重复执行步骤十和十一；否则，进入步骤十三。步骤十三：行进机构驱动底板转移位置，之后，重复执行步骤一至十二。进一步地，所述的摄像头采用型号为OpenMV3CamM7的视觉模块。Rm的取值为33mm；Apix的取值为320；θ的取值为57.5°；Lp的取值为2.8mm。本专利技术具有的有益效果是：1、本专利技术通过伸缩机构的设计，能够实现在行进机构不运动的情况下进行较大范围内的朱砂桔采摘，使得单次图像处理能够摘得的朱砂桔数量更多，提高了采摘的效率。2、本专利技术通过灰度化、二值化、中值滤波、卷积神经元网络相结合的方式识别图像中的朱砂桔位置，提高了识别的准确性。3、本专利技术能够计算各朱砂桔的空间位置坐标，提高了摘取机构定位的效率。附图说明图1为本专利技术的整体结构示意图；图2为本专利技术中行进机构与旋转机构的组合示意图；图3为本专利技术中升降机构的示意图；图4为本专利技术中伸缩机构与采摘机构的组合示意图；图5为本专利技术中计算摄像头与朱砂桔间距的原理图。具体实施方式以下结合附图对本专利技术作进一步说明。如图1所示，一种朱砂桔采摘机器人，包括行进机构5、旋转机构4、升降机构1、伸缩机构3、采摘机构2、摄像头翻转本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种朱砂桔采摘机器人，包括行进机构、旋转机构、升降机构、伸缩机构、采摘机构和摄像头；其特征在于：所述的行进机构包括底板、行进电机、行进轮和万向轮；两个行进轮均支承在底板底面；万向轮安装在底板的底面；两个行进轮由两个行进电机分别驱动；所述的摄像头设置在底板上；所述的旋转机构包括旋转板和旋转驱动件；所述的旋转板设置在底板的上方，且与底板构成转动副；旋转板由旋转驱动件驱动；所述的升降机构包括上支撑板、下支撑架、升降架、光轴和升降驱动件；所述光轴的底端均与下支撑架固定，顶端均与上支撑板固定；下支撑架与旋转板固定；所述的升降架与光轴构成滑动副，并由升降驱动件驱动；所述的伸缩机构包括伸缩板、伸缩杆组、第三齿轮、第四齿轮和第二舵机；所述的伸缩杆组包括第一连杆、第二连杆、第三连杆和第四连杆；所述第一连杆、第二连杆的内端均固定有第三齿轮，且均与升降架铰接；两个第三齿轮啮合；第一连杆、第二连杆的外端与第三连杆、第四连杆的一端分别铰接；第三连杆、第四连杆的另一端均固定有第四齿轮，且均与伸缩板铰接；两个第四齿轮啮合；其中一个第三齿轮由第二舵机驱动；所述的采摘机构包括挡板、固定刀片、主动刀片和第三舵机；第三舵机及挡板均固定在伸缩板上；主动刀片的内端与第三舵机的输出轴固定；固定刀片的外端与挡板固定，内端与第三舵机的输出轴构成转动副。...

【技术特征摘要】
1.一种朱砂桔采摘机器人，包括行进机构、旋转机构、升降机构、伸缩机构、采摘机构和摄像头；其特征在于：所述的行进机构包括底板、行进电机、行进轮和万向轮；两个行进轮均支承在底板底面；万向轮安装在底板的底面；两个行进轮由两个行进电机分别驱动；所述的摄像头设置在底板上；所述的旋转机构包括旋转板和旋转驱动件；所述的旋转板设置在底板的上方，且与底板构成转动副；旋转板由旋转驱动件驱动；所述的升降机构包括上支撑板、下支撑架、升降架、光轴和升降驱动件；所述光轴的底端均与下支撑架固定，顶端均与上支撑板固定；下支撑架与旋转板固定；所述的升降架与光轴构成滑动副，并由升降驱动件驱动；所述的伸缩机构包括伸缩板、伸缩杆组、第三齿轮、第四齿轮和第二舵机；所述的伸缩杆组包括第一连杆、第二连杆、第三连杆和第四连杆；所述第一连杆、第二连杆的内端均固定有第三齿轮，且均与升降架铰接；两个第三齿轮啮合；第一连杆、第二连杆的外端与第三连杆、第四连杆的一端分别铰接；第三连杆、第四连杆的另一端均固定有第四齿轮，且均与伸缩板铰接；两个第四齿轮啮合；其中一个第三齿轮由第二舵机驱动；所述的采摘机构包括挡板、固定刀片、主动刀片和第三舵机；第三舵机及挡板均固定在伸缩板上；主动刀片的内端与第三舵机的输出轴固定；固定刀片的外端与挡板固定，内端与第三舵机的输出轴构成转动副。2.根据权利要求1所述的一种朱砂桔采摘机器人，其特征在于：还包括摄像头翻转组件；所述的摄像头云台组件包括云台底座、第一云台架、第二云台架、第四舵机和第五舵机；云台底座固定在底板上；第一云台架与云台底座构成公共轴线竖直设置的转动副；第四舵机固定在云台底座上；第四舵机的输出轴与第一云台架固定；第二云台架与第一云台架构成公共轴线水平设置的转动副；第五舵机固定在第一云台架上；第五舵机的输出轴与第二云台架固定；摄像头固定在第二云台架上。3.根据权利要求1所述的一种朱砂桔采摘机器人，其特征在于：所述的旋转驱动件包括第一舵机、第一齿轮和第二齿轮；所述的第一舵机固定在底板上；第一齿轮、第二齿轮与第一舵机输出轴、旋转板分别固定；第一齿轮与第二齿轮啮合；所述的升降驱动件包括带轮、传动带和升降电机；两个带轮分别支承在上支撑板、下支撑架上，且通过传动带连接；升降电机固定在下支撑架上；升降电机的输出轴与位于下支撑架上的带轮固定。4.根据权利要求1所述的一种朱砂桔采摘机器人，其特征在于：两个行进电机均固定在底板的底面上；两个行进电机输出轴与两个行进轮分别固定；所述的第二舵机固定在升降板上；第二舵机的输出轴与其中一个第三齿轮固定。5.根据权利要求1所述的一种朱砂桔采摘机器人，其特征在于：两个第三齿轮及两个第四齿轮的分度圆直径相等。6.根据权利要求1所述的一种朱砂桔采摘机器人，其特征在于：所述的固定刀片、主动刀片的外端均朝向远离伸缩机构的一侧。7.根据权利要求1所述的一种朱砂桔采摘机器人，其特征在于：所述伸缩板的底面远离伸缩机构的那端固定有收集网兜；收集网兜位于固定刀片、主动刀片外端的正下方。8.如权利要求1所述的一种朱砂桔采摘机器人的采摘方...

【专利技术属性】
技术研发人员：樊志华，周易之，杨波，童康成，孙雪松，朱轩逸，
申请(专利权)人：杭州电子科技大学，
类型：发明
国别省市：浙江,33